JP4449829B2

JP4449829B2 - 電源装置

Info

Publication number: JP4449829B2
Application number: JP2005172445A
Authority: JP
Inventors: 伸輔吉田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-06-13
Filing date: 2005-06-13
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2025-06-13
Also published as: JP2006352950A; US7554291B2; US20060279255A1; EP1734634A2; EP1734634A3

Description

本発明は電源装置に関するものであり、特に、複数の蓄電部を多重接続して構成される電源を制御し、この電源の状態を検知する機能を具えた電源装置に関する。

電動モータを用いて走行する電気自動車やエンジンと電動モータを併用して走行するハイブリッド車（以下、HEV車）、あるいは燃料電池自動車おいては、ニッケル水素電池、リチウム電池といった２次電池を単一セルとして複数個を多重接続した組電池や大容量キャパシタが電動モータの電源として用いられる。組電池や大容量キャパシタはこれら自動車の走行開始、走行中、停止開始時等に電動モータや他のシステムに電力供給（放電）したり、モータの回生を使用して蓄電（充電）したりする。上述した組電池は、大量に電力を放電したり、大量に電力を充電したりすると、各セル間の電圧や残容量が異なるため、過充電になったり、過放電になったりすることが知られている。このような過充電状態や過放電状態になると、液漏れや異常発熱、電池寿命を短くする等、好ましくない状態になるため、組電池電圧検知における精度を良く、安全に検出する技術が必要である。このため、組電池やキャパシタの電力の入出力制御や保護機能（過充電保護、過放電保護）等を行っている。

通常、キャパシタや組電池セルの状態を検知するセル状態検知および保護部（以下CC部）は組電池やキャパシタ（大電力側）電源を用いて制御、検知を行っている。組電池やキャパシタの電力の入出力制御や電池キャパシタの保護を行う部分（以下、BC部）は車両側のバッテリ（12Ｖバッテリ）を用いて制御を行う構成となっている。そのため、CC部とBC部は電源が異なり、その間での情報（信号）をやりとりするために電気的絶縁（アイソレーション）をとって通信を行っている（特許文献１（特開平8-339829号公報：組電池の監視装置）、特許文献２（特許3545367号公報：組電池の電圧検出装置）を参照されたい。）。
特開平8−339829号公報（段落0012-0013、図１）特許3545367号公報（段落0010-0011、図１）

しかしながら、従来の方法では、各CC部は複数のセルを監視するが、複数のCC部とBC部が信号のやり取りを行うため、CC部の数、あるいは、BCと通信を行うCC部の信号線の数の電気低絶縁素子回路（以下、アイソレーション素子回路）が必要であり、制御回路が高価で大きくなるという課題があった。また、アイソレーション素子回路は駆動するのに消費する電力が大きく、低消費電力化が難しかった。さらに、アイソレーション素子は、比較的高温に弱いため、多数使う場合、セルのバイパスによる発熱、CPUの発熱および外気温度等考慮する必要があり、回路内での配置にも制限が発生していた。

上述した諸課題を解決するために、３つ以上の複数の蓄電部を直列接続して構成される電源に接続された充放電可能な電源装置であって、
前記複数の蓄電部にそれぞれ設けられ、これら蓄電部の蓄電状態を検知する複数の蓄電状態検知手段と、
前記複数の蓄電状態検知手段と、信号を送受信することで前記蓄電部の電力制御を行う電力制御手段と、
前記電力制御手段から、前記複数の蓄電状態検知手段のうち最上位電位の蓄電部用の蓄電状態検知手段への信号経路に設けられた第１の電気的絶縁手段と、
前記複数の蓄電状態検知手段のうち最下位電位の蓄電部用の蓄電状態検知手段から、前記電力制御手段への信号経路に設けられた第２の電気的絶縁手段と、
前記複数の蓄電状態検知手段のうち、隣接する上位電位の蓄電部用の上位蓄電状態検知手段と下位電位の蓄電部用の下位蓄電状態検知手段との間の信号経路に設けられた差動回路と、を有し、
前記差動回路は、
前記上位蓄電状態検知手段の入出力信号であって、前記上位蓄電状態検知手段と、前記第１及び第２の電気的絶縁手段との間の信号を、
前記上位電位と前記下位電位の電位差分の直流電圧でオフセットし、
前記下位蓄電状態検知手段への入力信号として出力することを特徴とする。

また、前記差動回路は、
前記複数の蓄電部のうちの最上位電位の蓄電部用の蓄電状態検知手段に入力すべき前記電力制御手段からの信号であって前記第１の電気的絶縁手段を介した信号、或いは、前記最上位電位以外の蓄電部用の蓄電状態検知手段に入力すべき前記電力制御手段からの信号であってそれより前段の差動回路を介した信号を、上位電位の蓄電部とそれに隣接する下位電位の蓄電部との間の電位差分の直流電圧でオフセットしたものを、前記電力制御手段からこの下位電位の蓄電部用の蓄電状態検知手段への信号として供給する、前記上位電位の蓄電部用の蓄電状態検知手段とそれに隣接する下位電位の蓄電部用の蓄電状態検知手段との間の信号経路に設けられた第１の差動回路と、
前記複数の蓄電部のうちの上位電位の蓄電部用の蓄電状態検知手段から出力された信号と、それに隣接する下位電位の蓄電部用の蓄電状態検知手段から出力された信号との論理演算をしてこれら蓄電状態検知手段から前記電力制御手段への信号として供給するために、前記上位電位の蓄電部用の蓄電状態検知手段から出力された信号を、前記上位電位の蓄電部用の蓄電状態検知手段と前記下位電位の蓄電部用の蓄電状態検知手段との間の電位差分の直流電圧でオフセットする、前記上位電位の蓄電部用の蓄電状態検知手段とそれに隣接する下位電位の蓄電部の蓄電状態検知手段との間の信号経路に設けられた第２の差動回路と、
を具えることを特徴とする。

また、前記差動回路は、
前記複数の蓄電部のうちの最上位電位の蓄電部用の蓄電状態検知手段に入力すべき前記電力制御手段からの信号であって前記第１の電気的絶縁手段を介した信号、或いは、前記最上位電位以外の蓄電部用の蓄電状態検知手段に入力すべき前記電力制御手段からの信号であってそれより前段の差動回路を介した信号を、上位電位の蓄電部とそれに隣接する下位電位の蓄電部との間の電位差分の直流電圧でオフセットしたものを、前記電力制御手段からこの下位電位の蓄電部用の蓄電状態検知手段への信号として供給し、さらに、上位電位の蓄電部用の蓄電状態検知手段から出力された信号と下位電位の蓄電部用の蓄電状態検知手段から出力されるべき信号とを論理演算して次段の差分回路に供給するために、前記上位電位の蓄電部用の蓄電状態検知手段から出力された信号を、前記電位差分の直流電圧でオフセットする、前記上位電位の蓄電部用の蓄電状態検知手段とそれに隣接する下位電位の蓄電部用の蓄電状態検知手段との間の信号経路に設けられた第３の差動回路、
を具えることを特徴とする。

また、前記蓄電状態検知部の各々が、
前記蓄電部の各々が正常であると判定したとき、前記電力制御手段から与えられた信号と同じものを出力する、ことを特徴とする。
上述したように本発明の解決手段を装置として説明してきたが、本発明はこれらに実質的に相当する方法、プログラム、プログラムを記録した記憶媒体としても実現され得るものであり、本発明の範囲にはこれらも包含されるものと理解されたい。

第１の発明（対応する図：図２，図３，図６）では、複数の単電池（以下、単位セル）を多重接続して構成される組電池もしくはキャパシタに接続され、充放電可能な組電池装置もしくはキャパシタ装置であって、セル状態検知部とバッテリもしくはキャパシタ電力制御や保護を行う電力制御部間の信号のやり取りにおいて、前記電力制御部からセル状態検知部に信号が送られる場合には最上電位の前記セル状態検知部と前記電力制御部の間に電気的絶縁素子回路を有し、前記セル状態検知部から前記電力制御部へ信号が送られる場合は、最下電位の前記セル状態検知部と前記電力制御部の間に電気的絶縁素子回路を有する構成を提供する。本構成によれば、アイソレーション素子を削減でき、コストダウン、回路小型化が可能になる。また、従来のセル状態検知機能および電力制御、保護機能を実現でき、さらには消費電力も低減できる

また、第２の発明（対応する図：図２、図３、図６）では、上記回路構成で、バッテリもしくはキャパシタ電力制御や保護を行う電力制御部からの信号を各セル状態検知部に信号を供給するために、上位電位の前記セル状態検知部に入る前記電力制御部からの信号を下位電位の前記セル状態検知部に供給する場合に、前記上位セル状態検知部と前記下位電位セル状態検知部の電位差分の直流電圧をオフセットする差動回路を有し前記電力制御部から前記セル状態検知部への信号とし、下位電位セル状態検知部に前記電力制御部からの信号を供給し、前記上位セル状態検知部出力信号を前記下位電位セル状態検知部出力信号との論理演算をするために、前記上位セル状態検知部と前記下位電位セル状態検知部の電位差分の直流電圧をオフセットする差動回路を有し、これをセル状態検知部から電力制御部への信号とする構成を提供する。本構成によれば、アイソレーション素子を削減でき、コストダウン、回路小型化が可能になる。また、従来のセル状態検知機能および電力制御、保護機能を実現でき、さらには消費電力も低減できる。

また、第３の発明（対応する図：図４、図５，図６）では、上記の回路構成で、電力制御部からの信号を最上位電位の前記セル状態検知部に入れ、前記セル状態検知部からの出力信号を前記セル状態検知部と下位電位セル状態検知部の電位差分の直流電圧をオフセットする差動回路を介して前記下位電位セル状態検知部に信号を入力し、前記電力制御部から前記セル状態検知部への信号とし、下位電位セル状態検知部に前記電力制御部からの信号を供給し、前記上位セル状態検知部出力信号を前記下位電位セル状態検知部出力信号との論理演算をするために、前記上位セル状態検知部と前記下位電位セル状態検知部の電位差分の直流電圧をオフセットする差動回路を有して、セル状態検知部から電力制御部への信号とする。本構成によれば、アイソレーション素子を削減でき、コストダウン、回路小型化が可能になる。また、従来のセル状態検知機能および電力制御、保護機能を実現でき、さらに、消費電力を低減し、回路規模を小さくすることもできる。

また、第４の発明（対応する図：図４，図５，図６）では、上記の回路構成で、バッテリもしくはキャパシタ電力制御や保護を行う電力制御部からセル状態検知部の信号がセル正常時には、前記セル状態検知部出力信号が前記電力制御部からの信号と同一信号を出力する信号形態において、
前記電力制御部からを最上位電位の前記セル状態検知部に入れ、前記セル状態検知部出力信号を前記セル状態検知部と下位電位セル状態検知部の電位差分の直流電圧をオフセットする差動回路を介して前記下位電位セル状態検知部に信号を入力し、前記電力制御部から前記セル状態検知部への信号とし、下位電位セル状態検知部に前記電力制御部からの信号を供給し、前記上位セル状態検知部出力信号を前記下位電位セル状態検知部出力信号との論理演算をするために、前記上位セル状態検知部と前記下位電位セル状態検知部の電位差分の直流電圧をオフセットする差動回路を有して、セル状態検知部から電力制御部への信号とする構成を提供する。本構成によれば、アイソレーション素子を削減でき、コストダウン、回路小型化が可能になる。また、従来のセル状態検知機能および電力制御、保護機能を実現でき、さらに消費電力も低減できる。

以降、諸図面を参照しつつ、本発明の実施態様を詳細に説明する。本願発明を説明する前に比較にために図１に従来の電源装置の構成を説明するブロック図を示す。図に示すように、組電池を構成する単位セルごと、或いは容量調整回路やセル電圧低下検知回路ごとに単位セルと同数の絶縁インターフェイスが必要であり、これが問題であった。

実施例１
次に本願発明を説明する。図２は本発明による電源装置の基本構成（実施例１）を示すブロック図である。図２に示すように、本発明による電源装置は、各々に複数の直流電源を含むｎ個の蓄電部C1,C2,…,Cn、各蓄電部に対してその蓄電状態を検査・監視するn個のセル状態検知部(CC部(CC1,CC2,…,CCn))を具える。また、本電源装置は、セル状態検知部を介して蓄電部の電力制御を司るバッテリコントロール部（BC部）、このBC部から複数のCC部のうちの最上位電位の蓄電部C1用のセル状態検知部CC1への通信の信号経路上に設けられた第１の電気的絶縁手段（アイソレーション素子）IF1(IF1a,IF1b,IF1c)、最下位電位の蓄電部Cn用のセル状態検知部CCnからBC部への通信の信号経路に設けられた第２の電気的絶縁手段（アイソレーション素子）IF2を具える。それぞれの電気的絶縁手段は、BC部の電源電位とCC部の蓄電部との間の電源電位を合わせる機能を果たす。なお、電気的絶縁手段（アイソレーション素子）としてはフォトアイソレータ、絶縁トランス型アイソレータなど様々なものを使用し得る。

さらに、本電源装置は、各CC部の隣接するもの同士の間にn-1個の差動回路D1,D2,…,Dn-1およびn-1個の差動・位相反転回路DI1,DI2,…,DIn-1を具える。この例では、一番上段の差動回路D1は、BC部から出力されアイソレーション素子IF1bを介した電池レベル検知信号とBC部から出力されアイソレーション素子IF1cを介した電池接続状態監視信号を受け、隣接する蓄電部C1とC2との間の電位差でオフセット（補正）し下位の蓄電部C2の電位に合わせた各信号をCC2に供給する。次段以降の差動回路も同様の操作を行う。
また、差動・位相反転回路DI1は、CC1から出力された電池状態検知信号を受け、同様に隣接する下位のCC2の電位に合わせるよう電位差でオフセット（補正）し、位相反転して電池状態検知信号（次段信号）に変換した信号を次段のCC2に供給する。図３は、図２に示した実施例による電源装置における各信号の一例を示すタイミングチャートであり、図に示すような信号処理を行うことによって各CC部の電位に補正された信号によって電池状態の検査・監視が実施される。

実施例２
図４は、本発明による電源装置の基本構成（実施例２）を示すブロック図である。実施例２は、図２の実施例１とほぼ同様のものであり、相違点のみ説明する。本実施例の電源装置は、各CC部間に設けたn-1個の第３の差動回路D1a,D2a,…,D(n-1)a、前段のCC部から出力された信号を差動回路でオフセット（電位補正）した後の信号の１つとそれに隣接する次段のCC部から出力された信号とを論理演算するn-1個の論理回路L1,L2,…,Ln-1を具える。この例では差動回路は、隣接する蓄電部間の電位差で４つの信号全てをオフセット（補正）する役目を果たす。図５は、図４に示した実施例による電源装置における各信号の一例を示すタイミングチャートであり、図に示すような信号処理を行うことによって各CC部の電位に補正された信号によって電池状態の検査・監視およびCC部の制御・監視が実施される。
また、図６は、図４の差動回路の実施回路例の詳細を示す回路図である。OPアンプの動作電源は、セル状態検知部の最上位電位とセル状態検知を行うセル電位の最下位電圧とし、OPアンプの入力をセル検知部の出力信号とセル状態検知部最上位電位とすることで次段セル状態検知部へ渡す信号の電位をそろえることが可能となる。

上記のように、図２、４に図示するようにBC部からCC部への信号は最上位電位と接続される部分にアイソレーション素子回路を有し、CC部からBC部への信号はCC部最下位電位部にアイソレーション素子回路を有する構成とする。これにより、BC部から各CC部への信号線に対するアイソレーション素子回路と各CC部からBC部への信号線に各々アイソレーション素子回路を設ける必要がなく、コストダウン、回路の小型化が可能である（第１の発明の効果に相当）。

また、図２のようにBC部からCC部への信号電位をあわせるために、上位電位CC部と下位電位CC部の直流電位差分の電位を差動回路を使用することで、各CC部に同電位の信号を入力することができ、CC部出力信号も上位電位CC部と下位電位CC部の直流電位差分の電位を差動回路（図６を参照されたい。）を使用することで下位電位CC部電位にあわせていき、論理演算をすることで、最下位電位CC部のアイソレーション回路を介してBC部に信号を出力することが可能となる。これにより、コストダウン、回路小型化が可能となる（第２の発明の効果に相当）。また、図４のようにCC部の出力を上記差動回路で電位をあわせられた信号で下位電位CC部の入力に入れることで、上記、論理回路が不要となりさらに、コストダウン、回路小型化が可能となる。さらに、図４のような回路で、上記CC部出力を下位電位CC部に入れる場合、ＢC部からCC部信号が、CC部が正常動作時に出力する信号を同一であると、故障状態の判定も可能となる。

本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。

従来の電源装置の構成を説明するブロック図である。本発明による電源装置の基本構成（実施例１）を示すブロック図である。図２に示した実施例による電源装置における各信号の一例を示すタイミングチャートである。本発明による電源装置の基本構成（実施例２）を示すブロック図である。図４に示した実施例による電源装置における各信号の一例を示すタイミングチャートである。図４の差動回路の実施回路例の詳細を示す回路図である。

符号の説明

C1,C2,…,Cn 蓄電部
CC(CC1,CC2,…,CCn)) セル状態検知部
BC バッテリコントロール部
IF1(IF1a,IF1b,IF1c) 第１の電気的絶縁手段（アイソレーション素子）
IF2 第２の電気的絶縁手段（アイソレーション素子）
D1,D2,…,Dn-1 差動回路
DI1,DI2,…,DIn-1差動・位相反転回路
D1a,D2a,…,D(n-1)a 差動回路
L1,L2,…,Ln-1 論理回路

Claims

３つ以上の複数の蓄電部を直列接続して構成される電源に接続された充放電可能な電源装置であって、
前記複数の蓄電部にそれぞれ設けられ、これら蓄電部の蓄電状態を検知する複数の蓄電状態検知手段と、
前記複数の蓄電状態検知手段と、信号を送受信することで前記蓄電部の電力制御を行う電力制御手段と、
前記電力制御手段から、前記複数の蓄電状態検知手段のうち最上位電位の蓄電部用の蓄電状態検知手段への信号経路に設けられた第１の電気的絶縁手段と、
前記複数の蓄電状態検知手段のうち最下位電位の蓄電部用の蓄電状態検知手段から、前記電力制御手段への信号経路に設けられた第２の電気的絶縁手段と、
前記複数の蓄電状態検知手段のうち、隣接する上位電位の蓄電部用の上位蓄電状態検知手段と下位電位の蓄電部用の下位蓄電状態検知手段との間の信号経路に設けられた差動回路と、を有し、
前記差動回路は、
前記上位蓄電状態検知手段の入出力信号であって、前記上位蓄電状態検知手段と、前記第１及び第２の電気的絶縁手段との間の信号を、
前記上位電位と前記下位電位の電位差分の直流電圧でオフセットし、
前記下位蓄電状態検知手段への入力信号として出力することを特徴とする電源装置。
請求項１に記載の電源装置において、
前記差動回路は、
前記複数の蓄電部のうちの最上位電位の蓄電部用の蓄電状態検知手段に入力すべき前記電力制御手段からの信号であって前記第１の電気的絶縁手段を介した信号、或いは、前記最上位電位以外の蓄電部用の蓄電状態検知手段に入力すべき前記電力制御手段からの信号であってそれより前段の差動回路を介した信号を、上位電位の蓄電部とそれに隣接する下位電位の蓄電部との間の電位差分の直流電圧でオフセットしたものを、前記電力制御手段からこの下位電位の蓄電部用の蓄電状態検知手段への信号として供給する、前記上位電位の蓄電部用の蓄電状態検知手段とそれに隣接する下位電位の蓄電部用の蓄電状態検知手段との間の信号経路に設けられた第１の差動回路と、
前記複数の蓄電部のうちの上位電位の蓄電部用の蓄電状態検知手段から出力された信号と、それに隣接する下位電位の蓄電部用の蓄電状態検知手段から出力された信号との論理演算をしてこれら蓄電状態検知手段から前記電力制御手段への信号として供給するために、前記上位電位の蓄電部用の蓄電状態検知手段から出力された信号を、前記上位電位の蓄電部用の蓄電状態検知手段と前記下位電位の蓄電部用の蓄電状態検知手段との間の電位差分の直流電圧でオフセットする、前記上位電位の蓄電部用の蓄電状態検知手段とそれに隣接する下位電位の蓄電部の蓄電状態検知手段との間の信号経路に設けられた第２の差動回路と、
を具えることを特徴とする電源装置。
請求項１に記載の電源装置において、
前記差動回路は、
前記複数の蓄電部のうちの最上位電位の蓄電部用の蓄電状態検知手段に入力すべき前記電力制御手段からの信号であって前記第１の電気的絶縁手段を介した信号、或いは、前記最上位電位以外の蓄電部用の蓄電状態検知手段に入力すべき前記電力制御手段からの信号であってそれより前段の差動回路を介した信号を、上位電位の蓄電部とそれに隣接する下位電位の蓄電部との間の電位差分の直流電圧でオフセットしたものを、前記電力制御手段からこの下位電位の蓄電部用の蓄電状態検知手段への信号として供給し、さらに、上位電位の蓄電部用の蓄電状態検知手段から出力された信号と下位電位の蓄電部用の蓄電状態検知手段から出力されるべき信号とを論理演算して次段の差分回路に供給するために、前記上位電位の蓄電部用の蓄電状態検知手段から出力された信号を、前記電位差分の直流電圧でオフセットする、前記上位電位の蓄電部用の蓄電状態検知手段とそれに隣接する下位電位の蓄電部用の蓄電状態検知手段との間の信号経路に設けられた第３の差動回路、
を具えることを特徴とする電源装置。
請求項３に記載の電源装置において、
前記蓄電状態検知部の各々が、
前記蓄電部の各々が正常であると判定したとき、前記電力制御手段から与えられた信号と同じものを出力する、
ことを特徴とする電源装置。